【正文】 .......................................................... 31 （ 1）上位機(jī)部分程序 ........................................................................................................ 31 （ 2）單片機(jī)部分程序 ........................................................................................................ 34 附錄 B：電路圖 ........................................................................................................................ 40 （ 1）系統(tǒng)總體電路圖 ........................................................................................................ 40 （ 2）電源部分電路圖 ........................................................................................................ 41 1 第一章 緒 論 系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹 本課題是基于 AVR 單片機(jī)與上位機(jī)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)包括下位機(jī) AVR 單片機(jī)檢測(cè)，串口通信，上位機(jī)用戶操作界面部分等。 下位機(jī)部分包括 AVR 單片機(jī)、溫度檢測(cè)、液晶顯示和串口傳輸?shù)裙δ埽瑴囟葌鞲衅?DS18B20 檢測(cè)外界溫度傳給 AVR 單片機(jī)， AVR 單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，可以通過(guò) LCD1602 顯示當(dāng)前溫度值。上位機(jī)部分利用輔助軟件Visual Basic 設(shè)計(jì)了操作界面，用戶可以根據(jù)需要自行設(shè)置，當(dāng)上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)之后可以顯示于窗口之中。上位機(jī)和下位機(jī)之間通過(guò)串口傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行通信。 系統(tǒng)中上位機(jī)用戶操作界面可以和 下位機(jī) AVR 單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，并可以將數(shù)據(jù)顯示在操作界面之上，實(shí)現(xiàn)了 AVR 單片機(jī)和上位機(jī)之間的通信。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)意義 單片機(jī)已廣泛地應(yīng)用于軍事、工業(yè)、家用電器、智能玩具、便攜式智能儀表和機(jī)器人制作等領(lǐng)域，使產(chǎn)品功能、精度和質(zhì)量大幅度提升，且電路簡(jiǎn)單，故障率低，可靠性高。 AVR 單片機(jī)具有 簡(jiǎn)便易學(xué)，費(fèi)用低廉 ； 高速、低耗、保密 ； I/O口功能強(qiáng) ,具有 A/D 轉(zhuǎn)換等電路 ； 有功能強(qiáng)大的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器及通訊接口 等優(yōu)點(diǎn)，所以在很多制作和創(chuàng)新中成為首選。 AVR單片機(jī)與上位機(jī)的通信系統(tǒng)是人與單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)之間的交互界 面，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，人們常常需要通過(guò)輸入設(shè)備來(lái)輸入特定的信息，如電信號(hào)、語(yǔ)音信號(hào)、光信號(hào)等，系統(tǒng)對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行分析處理后輸出結(jié)果。系統(tǒng)的這些輸出通過(guò)電、聲、光、圖像等方式表現(xiàn)出來(lái)，人們?cè)俑鶕?jù)系統(tǒng)的輸出來(lái)決定下一步工作，實(shí)現(xiàn)人與系統(tǒng)之間的交互。 隨著信息技術(shù)的普及和發(fā)展，尤其是跨入 21世紀(jì)以后，通信技術(shù)得到了迅速的發(fā)展 ， 已經(jīng)滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)和人們生活的方方 2 面面，在工業(yè)自動(dòng)化、 生產(chǎn)過(guò)程控制、信號(hào)的采集與處理、 、 安全防范、家用電器控制及日常生活 等 各個(gè)方面都得到了廣泛的應(yīng)用。 本系統(tǒng)綜合單片機(jī)原理及接 口技術(shù)、串口傳輸技術(shù)、上位機(jī)控制等技術(shù)設(shè)計(jì)出 基于 AVR 單片機(jī)與上位機(jī)的通信系統(tǒng)。 該系 統(tǒng)可 以 應(yīng)用于簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳輸，檢測(cè)控制 等領(lǐng)域， 具有較好實(shí)用價(jià)值。 3 第一章 系統(tǒng)的 方案 設(shè)計(jì) 根據(jù)題目要求 ，整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以劃分為幾個(gè)基本模塊，系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。對(duì)各模塊的實(shí)現(xiàn)分別有以下不同的設(shè)計(jì)方案。 圖 1 體統(tǒng)總體框圖 本設(shè)計(jì)中，下位機(jī)系統(tǒng)可以檢測(cè)外界環(huán)境溫度，并顯示在顯示模塊中。 上位機(jī) 系統(tǒng) 可以通過(guò)串口發(fā)送指令給 下位機(jī) ， 下位機(jī) 可以將 數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳遞給上位機(jī) ， 并顯示于 上位機(jī) 的 設(shè)計(jì)窗口中 。 系 統(tǒng) 下位機(jī) 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)下位機(jī)部分 包括溫度檢測(cè)、顯示模塊等。 溫度檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)外界環(huán)境溫度，傳遞給 AVR 單片機(jī) Atmega16L 分析處理后可以 通過(guò)顯示模塊 顯示數(shù)據(jù) 。下位機(jī)系統(tǒng)可以通過(guò)上位機(jī)發(fā)送的指令執(zhí)行既定程序，收發(fā)數(shù)據(jù) 等 。 數(shù)據(jù)顯示 方案一 ：采用 AVR 單片機(jī) Atmega16L 控制液晶 LCD1602 顯示數(shù)據(jù)。LCD1602 為字符型液晶顯示模塊， 2 行輸出，每行 16 個(gè)字符。液晶顯示屏具有微功耗、體積小、重量輕、可靠性高等特點(diǎn)。它超薄輕巧，可以滿足不同需要，顯示內(nèi)容 .豐富，接口簡(jiǎn)單方便。 串 口 單片機(jī)控制系統(tǒng) 顯 示 溫度檢測(cè) 按 鍵 下位機(jī)部分 顯示 模塊 PC機(jī)操作界面 數(shù)據(jù)輸出 /入 設(shè) 置 上位機(jī)部分 4 方案二 ：采用 AVR 單片機(jī) Atmega16L 控制七段數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。 單片機(jī)動(dòng)態(tài)掃描 4位 七段數(shù)碼管，根據(jù)顯示數(shù)碼位數(shù)的需要把時(shí)間分成若干等分，某一時(shí)刻僅驅(qū)動(dòng)一位或幾位數(shù)碼管，選擇一定的掃描頻率，使得人看起來(lái)沒(méi)有閃爍的感覺(jué)。 此種方法占用的 I/O 接口較多。 綜合考慮，選用方案一，不僅簡(jiǎn)化了接口，使電路的硬件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，而且控制容易。 溫度檢測(cè) 方案一 ： 采用 DS18B20 溫度傳感器。 DS18B20 數(shù)字 溫度傳感器是 單總線器件， 具有耐磨耐碰，使用方便 ， 線路簡(jiǎn)單，體積小的特點(diǎn) 。 測(cè)量溫度范圍在－ 55℃ 到＋ 125℃ 之間 。 實(shí)際應(yīng)用中 不需要任何外部元器件即可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫 。 方案二 ： 采用 PT100 溫度傳感器 。 Pt100 溫度傳感器為正溫度系數(shù)熱敏電阻傳感器，測(cè)量范圍可達(dá) － 200℃ 到＋ 850℃ ，具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、 線性度好、 準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。 但相對(duì)來(lái)說(shuō) PT100 溫度傳感器價(jià)格較高。 綜合實(shí)際考慮，采用方案一。采用 DS18B20 溫度傳感器不僅設(shè)計(jì)的電路簡(jiǎn)單，而且降低了設(shè)計(jì)成本。 系統(tǒng) 通信 方式 方案一 ：采用 異步 串行通信方式。 串行通信 ，是指 構(gòu)成一個(gè)字符或數(shù)據(jù)的每一位按時(shí)間先后一位一位地傳輸 ，占用較少通信線 。 異步通信，是指數(shù)據(jù)傳送以 字符為單位，字符與字符間的傳送是完全異步的，位與位之間的傳送基本上是同步的 。 串行通信常作為計(jì)算機(jī)與外設(shè)或計(jì)算機(jī)之間傳輸信息之用 ， 使成本降低。 方案二 ：采用并行通信方式。 并行通信 即 構(gòu)成一個(gè)字符或數(shù)據(jù)的每一位同時(shí)傳送。每一位都占用一條通信線，另外還需聯(lián)絡(luò)線以保證微處理器能與外圍設(shè)備協(xié)調(diào)地工作。并行通信具有較高的傳輸速度，但由于在長(zhǎng)線上驅(qū)動(dòng)和接收信號(hào)較困難，驅(qū)動(dòng)和接收電路較復(fù)雜，因而并行通信的傳輸距離受到限制。 5 綜合考慮，采用方案 一異步 串行通信 方式 。 系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì) 方案一 ：采用 Visual Basic 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫。 Visual Basic 是一種面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言，可以將程序代碼和數(shù)據(jù)是為對(duì)象。因此可以將引用的窗體或是窗體的控件以及整個(gè)應(yīng)用程序是為一個(gè)對(duì)象。由對(duì)象的概念引申出于對(duì)象相關(guān)的屬性、事件、和方法。從而大大簡(jiǎn)化了整個(gè)程序設(shè)計(jì)的步驟和難度。 方案二 ：采用 Visual C++ 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編寫。 VC++是完全面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ?， 是完全編譯語(yǔ)言 。 VC++效率高，封裝性好，繼承性高 ，編譯后得到的程序可直接運(yùn)行 。利用 VC++設(shè)計(jì)上位機(jī) 不僅需要對(duì)面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)有扎實(shí)的理解，而且需要充分了解 Windows 編程所涉及的方方面面。 VC++的可視化沒(méi)有 VB的好 ， VB 功能沒(méi)有 VC 強(qiáng)大，但是很容易掌握 ，而 VC++學(xué)起來(lái)有難度 。綜合實(shí)際考慮，采用 采用方案一，利用 Visual Basic 設(shè)計(jì)上位機(jī)界面。 6 第二章 系統(tǒng)下位機(jī)硬件 設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)的下位機(jī)部分主要包括控制 模塊 、溫度檢測(cè) 模塊 、顯示 模塊 等。下位機(jī) 控制模塊 采用 Atmega16L 作為 主控 芯片，溫度檢測(cè)模塊采用DS18B20 溫度傳感器檢測(cè)外界溫度，并傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)控制顯示模塊 LCD1602 顯示外界環(huán)境的實(shí)時(shí)溫度。 當(dāng)上位機(jī)發(fā)出指令，要求下位機(jī)傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，通 過(guò)串口，下位機(jī)可以將此時(shí)的外界環(huán)境溫度傳遞給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與單片機(jī)的通信。 控制電路 ATmega16L 是基于增強(qiáng)的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先進(jìn)的指令集一級(jí)單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間， ATmega16L 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。 圖 2為 ATmega16L 引腳分布圖。 圖 2 ATmega16L引腳分布圖 Atmega16L 的 PA7 引腳用來(lái)檢測(cè)外界溫度，接 DS18B20； PB 口用來(lái) 控制顯示模塊， PB0PB7 分別外接 LCD1602 的 717 引腳。 DS18B20 檢測(cè)到外界的溫度，傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)送數(shù)據(jù)給 LCD1602 實(shí)現(xiàn)顯示功能。 7 Atmega16L 芯片的主要特性： ? 32 個(gè) 8 位通用工作寄存器； ? 4通道 PWM； ? 8路 10 位 ADC； ? 兩個(gè)可編程的串行 USART； ? 可 工作于主機(jī) /叢集模式的 SPI 串行接口； ? 具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器； ? 片內(nèi)模擬比較器； ? 6中睡眠模式：空閑、 ADC 噪聲抑制、省電、掉電、 Standby 模式以 及擴(kuò)展的 Standby 模式； ? 32 個(gè)可編程的 I/O 口 ； ? 工作電壓： ； ? 速度等級(jí)最高可達(dá) 8MHz。 電源 AVR 單片機(jī) Atmega16L 芯片的供電電壓為 ,本設(shè)計(jì)中采用電壓穩(wěn)定的 5V 直流穩(wěn)壓電源供電。 直流穩(wěn)壓電源主 要由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等四個(gè)部分組成。穩(wěn)壓電源原理 圖如圖 3所示。 圖 3 直流 穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)原理圖 模擬 電源工作原理是由變壓器把交流電網(wǎng)電壓 220V 變成整流電路要求的交流電壓，再經(jīng)由 4 只整流二極管 組 成 的 整流橋 得到 直流電壓 ，通過(guò)電容濾波達(dá)到比較平穩(wěn)的直流電壓 ，最后接入 穩(wěn)壓電路 ， 維持輸出電壓的穩(wěn)定。 穩(wěn)壓電路 由輸出極性不同的 4 片集成穩(wěn)壓器 LM781LM791 LM790 LM7805 構(gòu)成，輸出端即可輸出177。 12V、177。 5V的電壓，輸出電流為 500mA ~ 1A，使用示波器測(cè)試輸出電壓穩(wěn)定。 電路圖如 圖 4電源變壓器 整流電路 濾波電路 穩(wěn)壓電路 8 所示 。 12341 N 4 0 0 7 x 4D2C30 .3 3 u FC40 .3 3 u FV i n1GND2V o u t3I C 1 L M 7 8 1 2V i n1GND2V o u t3I C 2 L M 7 9 1 2C50 .1 u FC60 .1 u FVD1VD2L E D 1L E D 2C70 .3 3 u FC80 .3 3 u FV i n1GND2V o u t3I C 4 L M 7 9 0 5V i n1GND2V o u t3I C 3 L M 7 8 0 5L E D 3L E D 4C90 .1 u FC 1 00 .1 u FD4D3TT R A N S 5C12 2 0 0 u FC22 2 0 0 u FR4560R3560R1560R2560 5 V 1 2 V+ 5 V+ 1 2 V220V 圖 4 直流穩(wěn)壓電源原理圖 DS18B20 溫度檢測(cè) 本系統(tǒng)中下位機(jī)的溫度檢測(cè)模塊采用 DS18B20。 DS18B20 數(shù)字溫度計(jì)是 DALLAS 公司生產(chǎn)的 1－ Wire，即單總線器件，具有線路簡(jiǎn)單，體積小的特點(diǎn)。因此用它來(lái)組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，具有線路簡(jiǎn)單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便。 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由 4 部分構(gòu)成 ， 64位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH和 TL、配置寄存器。 TO－ 92封裝的 DS18B20 的引腳排列及引腳功能描述見(jiàn)圖 5，其見(jiàn)下圖。 圖 5 DS18B20的引腳排列及功能 1 GND 電源地 2 DQ 數(shù)字信號(hào)輸入 /輸出端 3 VDD 外接供電電源輸入 端 1 2 3 DS18B20 1 3 2 底視圖 9 DS18B20 產(chǎn)品的特點(diǎn)： ? 只要求一個(gè)端口即可實(shí)現(xiàn)通信。 ? 在